微生物+轉(zhuǎn)錄組聯(lián)合分析解析鯉魚腸道菌群與轉(zhuǎn)錄組水平的相互作用

2021年5月28日，由北京百邁客生物科技有限公司與中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)院淡水漁業(yè)研究中心合作的研究論文《Interaction Between the Intestinal Microbial Community and Transcriptome Profile in Common Carp (Cyprinus carpio L.)》在期刊Frontiers in microbiology（IF 5.64）在線發(fā)表。該文運(yùn)用Illumina二代測(cè)序技術(shù)揭示了黃河鯉品種的生長(zhǎng)性能與腸道中的基因表達(dá)和細(xì)菌豐度之間的關(guān)系。百邁客轉(zhuǎn)錄組產(chǎn)品擁有多年項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)積累，曾服務(wù)NG，NC，PNAS等高分文章發(fā)表。重點(diǎn)是：百邁客云平臺(tái)可以在線完成多組學(xué)聯(lián)合分析，一鍵式生成報(bào)告，可多次隨心調(diào)整，再加上100+云上小工具加持分析，讓生信分析省時(shí)、省心、省錢又省力，而且不用擔(dān)心上手難，多種課堂培訓(xùn)視頻帶領(lǐng)您迅速入門。我們秉著真誠(chéng)的心歡迎各位老師前來咨詢!

文章信息

中文名：鯉魚腸道菌群與轉(zhuǎn)錄組水平的相互作用

英文名; Interaction Between the Intestinal Microbial Community and Transcriptome Profile in Common Carp (Cyprinus carpio L.)

期刊：Frontiers in microbiology

影響因子：5.64

研究背景

近年來，腸道微生物對(duì)宿主生產(chǎn)性能的影響受到廣泛關(guān)注。宿主的生產(chǎn)性能可以通過調(diào)節(jié)腸道微生物結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)，而腸道微生物結(jié)構(gòu)又主要受遺傳和飼料的影響。腸道微生物也能影響宿主的基因表達(dá)和甲基化水平。研究發(fā)現(xiàn)約10%的宿主轉(zhuǎn)錄組受微生物調(diào)節(jié)，主要包括免疫、細(xì)胞增殖和代謝功能相關(guān)基因。腸道微生物與宿主基因表達(dá)之間的相互作用機(jī)制會(huì)影響飲食行為、消化過程、免疫功能和其他生理現(xiàn)象。一天中微生物的活動(dòng)會(huì)改變宿主的生物節(jié)律、表觀遺傳學(xué)和代謝產(chǎn)物。當(dāng)微生物群落內(nèi)穩(wěn)態(tài)的節(jié)律被破壞時(shí)，宿主的正常染色質(zhì)和基因表達(dá)水平將發(fā)生變化，腸-肝軸基因表達(dá)的新機(jī)制將被激活。上述腸道菌群與宿主的相互作用主要通過腦和肝的遠(yuǎn)程控制模式實(shí)現(xiàn)。因此，作者運(yùn)用轉(zhuǎn)錄組和微生物多樣性聯(lián)合分析來解析新黃河鯉品種的腸道微生物群通過調(diào)節(jié)腸道基因表達(dá)影響其生長(zhǎng)性能的方式。本研究可以為黃河鯉新品種的選育提供參考。

研究目的

通過比較新鯉魚品系第4代（實(shí)驗(yàn)組）和傳統(tǒng)黃河鯉魚（對(duì)照組）在收獲時(shí)的生長(zhǎng)性能、腸道細(xì)菌結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)錄組譜，探究基因表達(dá)水平與腸道細(xì)菌豐度之間的關(guān)系。

研究方法

材料：

黃河鯉新品系（中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)院淡水漁業(yè)研究中心）和傳統(tǒng)黃河鯉，水池中單獨(dú)喂養(yǎng)。

實(shí)驗(yàn)方法：

生長(zhǎng)性能測(cè)定：養(yǎng)殖5個(gè)月后，隨機(jī)抽取366只黃河鯉（對(duì)照組180只，實(shí)驗(yàn)組186只）。體重（hBwt）用電子秤測(cè)量（準(zhǔn)確度：0.1克），而體長(zhǎng)（hBlen）、體寬（hBwid）和體高（hDep）用塑料尺測(cè)量（準(zhǔn)確度：0.1厘米）。Student’ t檢驗(yàn)用于檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組之間的差異（P<0.05）。
測(cè)序樣品：養(yǎng)殖5個(gè)月后，隨機(jī)各抽取3條魚（饑餓24小時(shí)），將腸分為前腸、中腸和后腸段，并用鑷子擠壓將每個(gè)片段的內(nèi)容物收集到無(wú)菌的2ml收集管中（DD4指對(duì)照組樣本，SS4指實(shí)驗(yàn)組樣本）。對(duì)應(yīng)的同一樣本腸道組織用于轉(zhuǎn)錄組測(cè)序（CT指對(duì)照組樣本，ST指實(shí)驗(yàn)組樣本）。

測(cè)序策略：

16S rRNA基因V3-V4區(qū)擴(kuò)增子測(cè)序：Illumina MiSeq平臺(tái)，每組3個(gè)重復(fù)。RNA測(cè)序：Illumina Hiseq 2500平臺(tái)，每組3個(gè)重復(fù)。

研究結(jié)果

腸道細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與生長(zhǎng)性能的關(guān)系

測(cè)量了黃河鯉新品四個(gè)生長(zhǎng)性能參數(shù)（體重、長(zhǎng)度、寬度和深度）（圖1）。實(shí)驗(yàn)組的所有參數(shù)均比對(duì)照組顯著提高：重量14.58%，深度7.14%，寬度5.04%，長(zhǎng)度5.07%。

為了評(píng)估黃河鯉新品種的生長(zhǎng)性能是否與其腸道菌群有關(guān)，將實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組在相似的生長(zhǎng)環(huán)境中進(jìn)行培養(yǎng)，并探討其腸道細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的差異。多樣性分析結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)組的平均OTU豐富度（322.80±67.87）高于對(duì)照組（303.00±53.00）。實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組共鑒定出94個(gè)共有的細(xì)菌類群（圖2B）。PCA分析和系統(tǒng)發(fā)育樹將所有樣本分為兩部分（圖2 C，D），表明實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組是可明顯區(qū)分的。因此，我們可以從其遺傳亞種的選擇性微生物群落結(jié)構(gòu)特征來部分估計(jì)該新品種的腸道細(xì)菌結(jié)構(gòu)。在屬水平上對(duì)細(xì)菌組成（相對(duì)豐度）進(jìn)行分析，結(jié)果表明氣單胞菌（Aeromonas）是對(duì)照組的優(yōu)勢(shì)類群，其次是厚壁菌（Firmicutes）和玫瑰單胞菌（Roseomonas）（圖2E），而實(shí)驗(yàn)組中，玫瑰單胞菌（Roseomonas）是優(yōu)勢(shì)類群，其次是厚壁菌（Firmicutes），然后是氣單胞菌（Aeromonas）。結(jié)果表明這兩個(gè)群體的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)是不同的。這意味著宿主（黃河鯉魚新品種）基因組與微生物組相互作用，以選擇某些微生物類群，暗示腸道菌群組成會(huì)影響鯉魚的生長(zhǎng)性能。

圖1黃河鯉新品種與對(duì)照組生長(zhǎng)性能比較

圖2 黃河鯉新品種與對(duì)照組的細(xì)菌組成分析

 

實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組之間的差異基因表達(dá)

使用與16S測(cè)序相同的樣本對(duì)黃河鯉新品種（實(shí)驗(yàn)組）和對(duì)照組中的轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行測(cè)序并鑒定差異基因（DEG）。在249個(gè)顯著DEGs中（如圖3A），194個(gè)基因表達(dá)下調(diào)，55個(gè)基因表達(dá)上調(diào)。通過GO注釋，這些基因被分為以下功能類別：生物調(diào)節(jié)、細(xì)胞過程、解毒作用、發(fā)育過程、免疫系統(tǒng)進(jìn)程等（都屬于生物過程）；細(xì)胞、細(xì)胞部分、胞外區(qū)域、胞外區(qū)域部分、大分子復(fù)合物等（細(xì)胞成分）；抗氧化活性、結(jié)合活性、催化活性、分子功能調(diào)節(jié)器上等（分子功能）。聚類分析表明，實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組具有不同的特征，DEG分為四個(gè)部分（圖3B）。這些基因的GO注釋包括生物學(xué)過程中的13個(gè)類別，細(xì)胞成分中的8類和分子功能類別中的7類（圖3C）。KEGG注釋將這些基因中的大部分分配到免疫相關(guān)途徑（圖3D）。

圖3 黃河魚新品與對(duì)照組腸道轉(zhuǎn)錄組DEGs分析

 

與腸道細(xì)菌群落組成相關(guān)的差異表達(dá)基因

Pearson相關(guān)性用于推斷微生物屬級(jí)群落組成與DEGs之間的關(guān)系（表 2），共探索了2892對(duì)，包括245個(gè)基因和256個(gè)屬。圖4A列出了與細(xì)菌群落具有屬級(jí)關(guān)系的前10個(gè)候選基因。其中許多參與免疫反應(yīng)，如H-2類組織相容性抗原、類E-Sβ鏈（H2-Eb1）、類胸苷磷酸化酶（TYMP）、干擾素誘導(dǎo)蛋白44（IFI44）和主要組織相容性復(fù)合物I類相關(guān)基因蛋白樣（MR1）。其他已鑒定的基因具有廣泛的功能。纖毛和鞭毛相關(guān)蛋白54（Cfap54）是纖毛和鞭毛組裝和功能所必需的。碳水化合物硫轉(zhuǎn)移酶14（Chst14）將硫酸鹽轉(zhuǎn)移到硫酸皮膚素中N-乙酰半乳糖胺殘基的C-4羥基中。DNA修復(fù)蛋白R(shí)AD51同源物4（Rad51d）、ETS易位變異體5、轉(zhuǎn)錄本變異體X2（Etv5）和著絲粒蛋白Spc24（Spc24）與細(xì)胞分化和生長(zhǎng)性能相關(guān)。這些基因可能在黃河鯉魚新品種更好的生長(zhǎng)性能中發(fā)揮關(guān)鍵作用?？偠灾c道細(xì)菌可以影響腸道中的基因表達(dá)，其中優(yōu)勢(shì)種或細(xì)菌結(jié)構(gòu)可能反映宿主黃鯉魚新品種的遺傳特征。腸道的細(xì)菌-基因表達(dá)譜有助于宿主腸道的健康和性能。
通過與基因頻率配對(duì)確定的前10個(gè)屬為：Bordetella, Lutispora, Methylocystis,Ohtaekwangia,Roseomonas,Shewanella,GpVI,Desulfovibrio,Candidatus_Berkiella and Azorhizobium。其中，Methylocystis數(shù)量最多，在甲烷循環(huán)中起作用。

 

圖4 黃河鯉新品種和對(duì)照組DEGs與細(xì)菌(屬水平)的關(guān)系

總結(jié)

該研究提出了腸道細(xì)菌群落與基因表達(dá)相互作用的證據(jù)。共探索了2892對(duì)（屬級(jí)基因和細(xì)菌），包括245個(gè)基因和256個(gè)屬。作者發(fā)現(xiàn)大多數(shù)基因涉及免疫學(xué)、細(xì)菌群落和細(xì)胞分化，其中大多數(shù)位于免疫相關(guān)信號(hào)通路中。研究表明黃河鯉新菌株生長(zhǎng)性能的改善可能與其免疫反應(yīng)的改善及其在腸道細(xì)菌結(jié)構(gòu)中的相互作用有關(guān)。

參考文獻(xiàn)

Su S, Jing X, Zhang C, et al. Interaction Between the Intestinal Microbial Community and Transcriptome Profile in Common Carp (Cyprinus carpio L.)[J]. Frontiers in Microbiology, 2021, 12.

文獻(xiàn)鏈接：https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8195870/